結核病不僅有導致大量人類死亡的歷史事件，而且至今仍是危害公共健康的頑固性呼吸道傳染病。利福霉素類化合物是由地中海擬無枝酸菌產生的一類具有廣譜抗菌作用的抗生素，對結核桿菌、麻風桿菌、鏈球菌、肺炎球菌等革蘭氏陽性細菌，特別是耐藥性金黃色葡萄球菌具有很強的拮抗作用，同時對某些革蘭氏陰性細菌也有效果。由天然產物利福霉素SV或利福霉素B進行化學半合成的利福平、利福噴丁、利福布丁等藥物進入了世界衛生組織的基礎藥物目錄，作為一線抗結核藥物挽救了數以萬計結核病人的生命。自1957年首次發現以來，利福霉素的生物合成途徑一直是生物化學家們的研究熱點。盡管前期利用同位素標記和基因敲除（敲入）等方法已闡明其生物合成途徑中的大部分環節，但利福霉素SV是如何轉化為利福霉素B的這個關鍵環節卻長時間困擾著科學界。 日前，由青島能源所李盛英研究員帶領的酶工程研究組，與中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所（上海植生所）趙國屏院士和肖友利研究組，以及中國科學院上海有機化學研究所唐功利團隊的多名學者合作，在國際上首次闡明了利福霉素SV轉化為利福霉素B的詳細生物合成途徑及酶催化反應機制，相關成果已在線發表于最新出版的 Nature Communications期刊上。
基于2011年趙國屏院士研究組通過分子遺傳學方法確認關鍵基因Rif15/16負責利福霉素SV到B轉化的體內研究工作基礎，本工作中研究人員成功在大腸桿菌中異源表達得到可溶性的轉酮酶Rif15和細胞色素P450單加氧酶Rif16，在體外通過酶活重建、產物結構表征、13C標記實驗和Rif16晶體結構解析徹底闡明了利福霉素SV轉化為利福霉素B的生物合成途徑及這兩個酶的功能和催化機制，改寫了Ghisalba等在36年前提出的“舊模型”（J. Antibiot. 35, 1982: 74-80）。研究團隊發現，利福霉素SV首先在有氧條件下可自發被氧氣化學氧化成利福霉素S，進而在轉酮酶Rif15的作用下將2-酮糖的一個C2基團轉移至利福霉素S上并重排生成含有C-O酯鍵結構的利福霉素L。接著P450單加氧酶Rif16拔取利福霉素L C-39位羥基上的氫原子，形成的氧自由基進攻臨近芳環C-4位形成五元環結構，然后再經一系列電子重排和第二次C-1位置酚羥基上氫原子的拔取，生成不穩定的中間體化合物利福霉素O。該化合物在電子供體NADPH存在條件下，迅速被水解還原形成穩定的終產物利福霉素B。在此過程中，轉酮酶Rif15表觀上催化一個獨特的C-O成鍵反應（通過常規的C-C成鍵和非常規重排形成）；而P450單加氧酶Rif16則通過一個五元環的介導，成功實現了一種十分罕見的“酯醚轉化”反應。這兩個全新催化機制的發現，進一步拓寬了轉酮酶和P450單加氧酶這兩種常見生物催化劑的催化反應類型，加深了領域內對這兩種酶的認識。該項研究的成功還將為進一步利用合成生物學方法有效進行新型利福霉素發現和工業菌種改造，進一步提升利福霉素的產量提供全新的理論依據。
青島能源所助理研究員齊飛飛和上海植生所雷超博士為本論文的共同第一作者。李盛英研究員和肖友利研究員為論文的共同通訊作者。該研究獲得了山東省合成生物學重點實驗室、山東省自然科學基金重大基礎研究計劃、中國科學院前沿重點研究項目和大科學計劃培育項目、國家自然科學基金以及上海市科學技術委員會基金的支持。（文/齊飛飛 李盛英 肖友利 圖/齊飛飛 李盛英）
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